1-空间大地测量学-绪论1-2-3

1、1/68,1/66,主讲:魏二虎,2/68,基本情况和要求,课程名称：空间大地测量学 课程性质：研究方向必修课，2学分 授课教授：魏二虎博士 课时： 总课时：36，共9周 4课时/周 出勤率 最终成绩 平时作业：报告/论文 ，占总成绩的40% 最终考试：报告/论文 ，占总成绩的60%,3/68,基本情况和要求(续),参考资料 教材： 空间大地测量学（李征航，魏二虎，王正涛，彭碧波），武汉大学出版社，2010.3 参考资料： 空间大地测量理论基础（李征航，徐德宝，董挹英，刘彩璋），武汉测绘科技大学出版社，1998 空间大地测量，中国地质大学出版社，1988 卫星大地测量，测绘出版社，1990 V

2、LBI,SLR,LLR,GNSS技术及应用与空间大地测量的期刊论文 空间大地测量的期刊论文 IERS,IVS,ILS,IGS网络 国际国内的有关空间计划,4/68,联系信息,主讲教授：魏二虎 办公室 武汉大学信息学部，4号楼419室 测绘学院，空间定位与导航工程研究所 电 话: 座机O), 87377786(H) 移动电话E-mail: ,5/68,目 录,第一章、绪论 第二章、时间系统 第三章、坐标系统 第四章、VLBI原理及应用 第五章、激光测卫和激光测月 第六章、卫星测高 第七章、重力卫星测量 第八章、卫星导航定位及脉冲星导航定位,6

3、/68,目 录,第一章、绪论 第二章、时间系统 第三章、坐标系统 第四章、VLBI原理及应用 第五章、激光测卫和激光测月 第六章、卫星测高 第七章、重力卫星测量 第八章、卫星导航定位及脉冲星导航定位,7/68,第1章的作业,题目 传统/天文观测手段用于大地测量的研究 形式：报告或论文 报告包括： 研究现状论述 存在的问题及影响 论文在报告的基础上，还包括： 解决方法、公式推导、软件设计等 实验、计算、结果分析 结论及展望 参考文献 对这次研究的自我评价.,8/68,目 录,第一章、绪论 1.1 传统大地测量的局限性 1.2 空间大地测量的产生 1.3 空间大地测量的定义、任务及几种主要技术,9

4、/68,1.1传统大地测量的局限性,1、大地测量学 1）概念 是研究： 地球的形状，大小； 地球的外部重力场； 以及它们随时间的变化状况的一门科学。,10/68,1.1传统大地测量的局限性,1、大地测量学（续） 2）必要性或意义 测量工程的需要和基础：坐标系统和高程系统 控制点成果-控制测量-上级控制点-坐标系统（高程系统）； 地形图-地形点测量、遥感地形 施工点成果-工程设计、放样测量；,11/68,1.1传统大地测量的局限性,1、大地测量学（续） 2）必要性或意义（续） 导航系统的需要：坐标系统和高程系统 陆、海、空,12/68,1.1传统大地测量的局限性,1、大地测量学（续） 3）大地测

5、量学与坐标系统 坐标系统 规则数学体-地球形状及其变化 海拔高程系统 海拔高程起算面-大地水准面-地球重力场及其变化,13/68,1.1传统大地测量局限性,2、常规大地测量方法 测量 距离 方位角 水准等观测量 数据处理 最小二乘 主要采用：条件平差法,14/68,3、常规大地测量过程 由于平面和高程的基准面不同、测量方法不同，国家平面坐标系统和高程系统通常是分别实现的。,1.1传统大地测量局限性,15/68,1）国家平面坐标系统实现过程,主要工作： 有以下五项工作： （1）国家平面控制网布设 （2）建立大地基准、确定全网起算数据 （3）控制网的起始方位角的求定 （4）控制网的起始边长的测定

6、（5）其它工作,16/68,1）国家平面坐标系统实现过程,（1）布设国家平面控制网 国家平面控制网一般采用： 三角锁、三角网 电磁波测距导线，等形式来布设；,17/68,（2）建立大地基准、确定全网起算数据 建立大地基准 一般使用天文重力网完成两项工作： 确定参考数学规则体的形状及参数，如参考椭球的： 长短半轴定向 长短半轴大小 椭球扁率,1）国家平面坐标系统实现过程（续）,18/68,建立大地基准（续）,确定参考数学体参数 这一部分工作借助于国际资料： 选择已有参考椭球； 椭球短轴平行于地球自转轴 ，大地起始子午面平行于天文起始子午面 ； 1954北京坐标系：采用卡拉索夫斯基椭球参数； 西安

7、80坐标系采用IUGG1975推荐的椭球参数。,19/68,、进行参考椭球的定位 条件 在一定范围内与大地水准面吻合最好：几何上表达为椭球面在地区或全国范围内与大地水准面相重合或相差数接近常数。 做法 采用局部的大地测量资料：重力测量、水准测量等资料： 大地水准面差距平方和： （N2)=Min； 或高程异常平方和： （2)=Min 或垂线偏差平方和： （ 2+2）=Min,建立大地基准（续）,20/68,确定全网起算数据,大地原点的确定 0、0、 N0的绝对值最小。 在以上条件下，求定大地原点上的垂线偏差（ 0，0）及大地水准面差距N0。,21/68,确定全网起算数据（续）,大地原点坐标和起始

8、方向： 在大地原点上进行高精度的天文观测测得该点的天文经纬度：(0,0)及到某一目标的天文方位角0。 通过下列公式转换为大地原点的大地经纬度（L0,B0)及到某一目标的大地方位角A0: L0= 0- 0sec0 B0= 0- 0 A0= 0- 0tg0,22/68,确定全网起算数据（续）, 各天文点的大地水准面差距Ni 根据N0和各天文点上的垂线偏差（子午分量i，卯酉分量i）,以及沿线的重力测量资料； 采用天文重力水准的方法求得各天文点的大地水准面差距Ni。,23/68,（3）控制网的起始方位角的求定,在一等三角锁的两端和二等三角网中通常布设拉普拉斯边：在布设拉普拉斯边的端点上进行高精度的天文

9、观测测得该点的天文经纬度：(i,i)及该边的天文方位角i，转换为大地方位角，作为全网的方位基准： Ai= i- itgi =i- (i Li)sini 每隔100-150公里加测一个起始方位，以纠正方位角的累计误差。,24/68,24/66,（4）控制网的起始边长的测定,在一等三角锁的两端和二等三角网中起始边的长度使用铟钢尺或光电全站仪测定的。测量距离短，间接推出起始边长。,25/68,（5）其它工作,1） 对于三角锁或三角网来说，剩余的工作就是使用经纬仪在各三角点上进行方向测量，从起算边长出发通过三角形计算边长，各边的方位，计算出个点坐标。 2）电磁波测距导线： 在导线点上通过角度测量方位，

10、还要通过测量边长，计算各点坐标。 3）最后将方向观测和距离观测转换到椭球面上进行数据处理，得到控制点的大地经纬度(Li,Bi)，投影平面坐标(xi,yi),26/68,2）国家高程控制网的布设,（1）方法 国家高程控制网一般采用几何水准测量的方法来布设。 （2）主要工作： 建立国家高程基准：两项工作： 通过验潮站的长期验潮观测资料来确定平均海水面并将起定义为高程起算面。 通过高精度的水准联测来测定水准原点相对于该起算面的高程。,上海吴淞口验潮站,27/68,（2）主要工作,布设国家水准网 原则 从全面到局部，逐级控制的原则布设国家水准网。 方法 首先用高精度和精密水准测量的方法布设一、二等水准

11、网组成国家水准网骨干。 再用三四等水准网加密。,28/68,4、常规方法的局限性,1）测站间需保持通视： （1）采用光电仪器，必须通视。 （2）需花费大量人力物力修建觇标。,29/68,4、常规方法的局限性,（3）边长受限制： 地球曲率、高山、树林、建筑等障碍。 大陆之间、大陆和远距离海岛之间无法联测，全球形成了100多个大地坐标系，无法建立全球统一的坐标系。 不能联测，数百年来大地测量学家只能采用有限局域大地测量资料来推求地球的形状和大小。差距大、工作缓慢。 首级控制网布设进度慢，无法在短时间内建立坐标框架。,30/68,4、常规方法的局限性（续）,（4）工作难度大、效率低 为了保持通视，在

12、山区不得不把控制点布设在个山头上。 在工程项目中往往需要布设许多中间过渡点才能将坐标传递到目的点。加重工作量。,31/68,4、常规方法的局限性（续）,2）无法同时精确确定点的三维坐标 由于平面控制网和高程控制网是分别布设的： 点的平面位置时以椭球面为基准面通过三角测量、导线测量得到； 点的高程以大地水准面或似大地水准面为基准面通过水准测量求得。 缺点： 增加了工作量； 水准点一般沿道路、河流等高差起伏不大的地带布设，无精确的平面坐标； 平面控制点在山区时，位于山头上，起高程使用三角高程测量求得，无准确的高程坐标。这种情况对分析和进一步测量带来困难。,32/68,4、常规方法的局限性（续）,3

13、）观测受气候条件影响： 雨天、黑夜、大雾、大风、能见度低时不宜测量。 4）难以避免某些系统误差的影响 光学仪器的测量值会因为大气密度不同而受到不同的弯曲影响，即旁折光影响。 地球引力由两极到赤道减小，大气密度变化一样。 5）难以建立地心坐标系 占全球总面积70%的海岸为布设大地控制网，占全球总面积30%的陆地无法进行大地联测，只能区域测量，建立区域参考椭球与区域大地水准面吻合。 无法建立全球参考椭球。,33/68,1.2、空间大地测量的产生,1. 时代对大地测量提出的新要求 1）要求提供更精确的地心坐标 非地心参考椭球作为基准面：20世纪50年代前； 20世纪中叶空间技术和远程武器迅猛发展，要

14、求地心坐标。,34/68,2）要求提供全球统一的坐标,（1）全球化的航空、航海导航要求全球统一的坐标系统 （2）一些跨地区、跨国家等长距离高精度应用测量项目出现,35/68,（3）要求在长距离高精度测量,为了研究全球性的地质构造运动、建立和维持全球的参考框架、不同坐标系间的联测等，都要求在长距离上进行高精度定位的技术。 确定卫星轨道的地面卫星跟踪站必须为同一坐标系统； 远程导弹发射点、落点必须为同一个坐标系； 各板块运动的监测必须为同一个坐标系； 以监测海平面上升为例，边长一般为数千公里，要求精度厘米级（10-8相对精度），或毫米级（10-9相对精度）。常规测量边长指导数十公里，精度10-5到

15、10-6。无法满足使用。,36/68,4）要求提供精确的(似)大地水准面差距,随着GNSS等空间定位技术逐步取代传统的经典大地测量技术成为布设全球性或区域性的大地控制网的主要手段； 人们对高精度的、高分辨率的大地水准面差距N或高程异常的要求越来越迫切。,37/68,5）要求高精度的高分辨率的地球重力场模型,随着空间技术和远程武器的发展，用户对卫星的定轨精度及轨道预报精度也提出了越来越高的要求。 精密定轨和轨道预报（尤其是低轨卫星）需要高精度的高分辨率的地球重力场模型来予以支持。,38/68,6）要求出现一种全天候，更为快捷的、精确、简便的全新的大地测量方法,传统大地测量的改进措施都没有突破“地

16、面测量”这一老的作业模式，因而也无法从根本上解决大地测量所面临的固有问题。例如： 由于受到地球曲率的影响，“地面测量”是无法解决边长受限制的问题的； 由于信号全程都是在稠密的大气层中传播的，因而方向测量和距离测量的精度就将受到大气折射和大气延迟改正的精度限制，如果不能再大气改正精度方面取得突破的话，那么大地测量的精度也只能被限制在目前大约为10e-6左右的精度水平上，难以进一步提高。 大地测量界本身也期望能突破“地面测量”的老的作业模式的限制，能出现一种全天候的，更为快捷的、精确、简便的全新的大地测量方法和技术。,39/68,2. 空间大地测量产生的可能性(续),1)空间技术的发展(09-17

17、) 我们可以按需要设计制造、发射不同功能、不同轨道的卫星，并能精确控制姿态，精确测定卫星轨道并进行预报，为卫星定位技术的产生奠定了基础。 2)计算机技术的发展 对卫星精密定轨和空间定位中对大量资料进行极其复杂的数学处理提供了可能性。,40/68,2. 空间大地测量产生的可能性（续）,3) 现代电子技术，尤其是超大规模集成电路技术 大量电子元件浓缩在一块小小的芯片上，便携式GPS,VLBI,SLR; 实现低能耗、低价格、小体积、轻便、质量可靠，使空间 大地测量实用化。,41/68,2. 空间大地测量产生的可能性（续）,4）其他技术 多路多址技术、编码技术、扩频技术、加密技术、解码技术等通讯技术，

18、信号和滤波理论，系统和控制理论为卫星通讯、卫星信号处理奠定基础； 大气科学的发展对为卫星轨道计算机信号传播延迟改正提供了基础； 天文学、传统大地测量学、导航学等对空间大地测量学的产生积累了实际经验。,42/68,1.3 空间大地测量的定义、任务及几种主要技术,1.什么是空间大地测量学 定义1 利用自然天体或人造天体； 精确确定地球的： 形状，大小，外部重力场； 以及它们随时间的变化状况； 的一整套理论和方法(或一门科学)称为空间大地测量学。,43/68,1.3空间大地测量的定义、任务及几种主要技术（续）,1. 空间大地测量学(续) 定义2; 利用： 自然天体， 或人造天体 研究 地球的形状及其

19、随时间的变化； 地球外部重力场其随时间的变化； 地轴方向和地球自转速度，及其随时间变化； 等状况的一门科学。,44/68,2. 空间大地测量的主要任务,空间大地测量要解决的问题和承担的具体任务很多，但归纳起来大体上可分为两类: 建立和维持各种坐标框架; 确定地球重力场。,45/68,2. 空间大地测量的主要任务(续),（1）建立和维持各种类型的坐标框架 坐标系统 由一系列的规定，协议等从理论上来加以定义的 原点，轴指向，尺度（原点，长半轴，扁率） 参考框架 坐标系统定义要依靠某些单位通过长期的观测和数据处理后采用一定的形式来加以实现。坐标系统的具体实现称为参考（参考）框架。 主要的两种参考框架

20、 地球参考框架 天球参考框架 地球坐标系统和天球坐标系统之间的坐标转换 必须精确确定地球定向参数,46/68,（1）建立和维持各种类型坐标框架, 建立和维持地球参考框架 A. 建立和维持全球性的地球参考框架 技术资料 VLBI，SLR，GPS，DORIS等空间大地测量技术的并址观测资料； 经统一处理后来建立和维持； 在大地测量和地球动力学等领域中被广泛使用的、精度最高、全球性的地球参考框架是国际地球参考框架ITRF IERS给出了11个不同版本的ITRF： ITRF88、89、90、91、92、93、94、96、97、2000和ITRF2005。,47/68,A. 建立和维持全球性的地球参考框

21、架（续）,ITRF（续） 此前ITRF框架是用组成该框架的各测站的三维坐标以及它们的年变化率的形式来具体实现的。 但从ITRF2005开始，框架则是用VLBI，SLR，GPS，DORIS等空间大地测量技术所给出的测站坐标及地球定向参数的时间序列经统一处理后来予以实现的。,48/68,B. 建立和维持区域性的地球参考框架,方法 由于传统大地测量的局限性，目前建立和维持区域性的地球参考框架的任务主要也是由空间大地测量来承担的 大国或洲的范围内来建立和维持地球参考框架时 可考虑综合利用多种空间大地测量技术来实现； 在缺乏（VLBI，SLR）等空间大地测量资料的情况下，也可仅用GNSS资料来予以实现。

22、 在更小的区域中来建立和维持地球参考框架（布设大地控制网），则： 主要依靠GNSS技术来实现。 在特殊情况下也不排除用传统大地测量的方法来予以实现的可能性。,49/68, 建立和维持国际天球参考框架,目前国际天球参考框架ICRF； 由IERS利用VLBI技术所测定的河外射电源的方向来实现和维持的 ； 国际天球参考框架ICRF可分为： BCRF：日心 GCRF：地心,50/68, 测定地球定向参数,必要性 自然天体、人造天体-天球坐标系GCRS； 地面测站-地球坐标系ITRS； 坐标转换就需要知道转换参数，于是精确测定ITRS和GCRS间的转换参数也称为空间大地测量的一项重要任务 EOPs(岁差

23、、章动，ERP(极移和地球自转),51/68,（2）测定地球重力场,意义： 高分辨率高精度的地球重力场模型对于军事部门、航空航天部门，以及大地测量，地球动力学等地学研究部门意义重大； 传统大地测量的局限性 在20世纪50年代前测定地球重力场的工作进度缓慢 ； 空间大地测量的诞生从根本上改变了这种状况 根据卫星的轨道摄动来反演地球重力场； 利用卫星测高技术来实际测定海洋地区的大地水准面反演海洋地面的重力场 ； 利用高-低模式和低-低模式的卫星跟踪卫星以及卫星重力梯度测量技术来反演地球重力场 ； 高分辨率、高精度、变化性,52/68,3. 几种主要的空间大地测量技术,（1）甚长基线干涉测量（VLB

24、I） 定义 两台配备了高精度原子钟，相距遥远的射电望远镜A和B，同时对来自某一射电源的信号进行观测; 利用干涉测量的方法对两台分别记录的信号进行相关处理以求得信号到达AB两站的时延以及时延的变率; 进而精确确定基线向量，以及从射电望远镜至射电源的方向的一整套理论，方法和技术。,53/68,（1）甚长基线干涉测量（VLBI）,应用 建立和维持全球性的或区域性的地球参考框架，也可用于测定板块运动和地壳形变等地球动力学现象； 建立和维持国际天球参考框架ICRF的首选（唯一）方法 ； VLBI可以直接把天球坐标系和地球坐标系联系起来 ； 唯一可以定义UT1 的技术； 与SLR一起为ITRF提供精确的尺

25、度。,54/68,（2）激光测卫/月（SLR/LLR）,SLR/LLR概念 利用安置在地面测站上的激光测距仪对配备有后向反射棱镜的卫星/月球进行距离测量； 根据激光脉冲测距信号往返传播的时间来测定从地面测站至卫星/月球的距离的方法和技术称为激光测卫/月。,55/68,（2）激光测卫/月（SLR/LLR）,SLR/LLR的应用 用SLR/LLR可精确测定地面测站的地心坐标-建立地心坐标系； SLR/LLR建立和维持地球参考框架，SLR测定板块运动和地壳形变 ； SLR确定卫星的轨道 ； 测定的卫星轨道及轨道摄动，可测定GM值等大地测量常数，可精确测定地球质心的位置及其变化，还可精确测定地球重力场

26、中的中、低阶项 ； SLR与VLBI一起为地球参考框架提供高精度的尺度基准 。,56/68,（2）激光测卫/月（SLR/LLR）,LLR的应用 可精确测定激光反射棱镜的月面坐标，为月球表面测量提供精确的控制点; 测定月球的自由天平动和月球潮汐位系数； 编制精确的月球星表。,57/68,（3）GPS（GNSS）,GNSS 各种全球性的卫星导航定位系统合称GNSS； GPS-美国 俄罗斯的GLONASS 欧洲-Galileo 中国-COMPASS。,58/68,（3）GPS（GNSS）,GNSS应用于大地测量 建立和维持全球性的或区域性的地球参考框架 卫星定轨 ； 测定地球自转参数 解析UT1-U

27、TC: 0.02 ms 极移 :0.05 mas,59/68,（4）DORIS,DORIS 法国研制组建的采用多普勒测量的方法来进行卫星定轨和定位的综合系统； 在地面跟踪站上安装信号发射机，而卫星上则安装信号接收机 ； 在全球较均匀地布设了70多个地面站 。,60/68,（4）DORIS,DORIS应用 卫星定轨 确定的卫星轨道的径向误差为3 cm。 与SLR、GPS等方法进行联合定轨时，径向误差为12 cm 建立和维持地球参考框架 把地面站坐标也当作待定参数，采用自由网平差的方式把它们也估计出来的话，就能确定地面站的坐标 。 测定地球自转参数 利用DORS来测定极移时，在卫星数较多的情况下所

28、测定的极移值的精度可达亚毫角秒的水平,61/68,（5）利用卫星轨道摄动反演地球重力场,第一代卫星重力技术 人造地球卫星受摄动力的影响 地球形状引力，气阻力，太阳光压力，日、月引力等； 其轨道会产生摄动。 反演出地球重力场 若用以下方法来精确测定卫星轨道 摄影观测，激光测距，多普勒测量等； 进而求得轨道摄动量 反演地球重力场。 某一卫星轨道一般只对地球重力场中的某些部分敏感，而对另一些部分则不很敏感； 需要对具有不同轨道的多个卫星进行观测和分析； 才能获得完整的地球重力场模型；,62/68,（6）卫星测高,卫星测高 20世纪70年代出现的一种卫星重力学方法。 卫星测高则可以称为第二代卫星重力技

29、术； 建立的地球重力场模型，在分辨率和精度上有了明显提高 。 基本工作原理： 用测高卫星上配备的微波（激光）测高雷达来测定至海平面的垂直距离； 并利用SLR、GPS、DORIS等来精确确定该卫星的轨道； 从而求得平均海面的形状； 经潮汐、洋流、海面地形等改正后获得海洋大地水准面； 并反求出地球重力场。,63/68,（7）卫星跟踪卫星,第三代卫星重力技术 采用两种不同的模式：高-低模式和低-低模式 高轨卫星跟踪低轨卫星模式 背景 地理和政治方面的原因，在全球均匀布设地面定轨网困难； 全球数十个地面站每隔12个小时就需对低轨卫星进行一次观测，工作负荷很大 ； 方法 低轨卫星上配备GNSS接收机，将